廣元市2012 ～ 2014年城市飲用水源地中重金屬健康風險初步評估

鄭 清，唐春梅，廖詠梅，權(quán)秋梅，黎云祥

(1.西華師范大學環(huán)境科學與工程學院，四川 南充 637002；2.西華師范大學生命科學學院，四川 南充 637002)

引 言

水在我們的生活中是必不可少的，飲用水在日常生活中是我們喝與用時所需的水[1]，隨著時間的推移和社會的不斷發(fā)展，健康的飲用水是人類進行生產(chǎn)和生活的關鍵所在，而人類在生活以及生產(chǎn)的過程中產(chǎn)生了大量的污染物，而這樣的污染物會經(jīng)過不同的渠道進入到不同的環(huán)境中，其中重金屬污染物進入水環(huán)境并污染水源的問題尤為突出并引起了世界各國的廣泛關注[2～4]。重金屬元素具有不易降解、毒性較大、隱蔽性強和易在生物體內(nèi)發(fā)生生物富集作用等多種特征，這些重金屬物質(zhì)可通過3種暴露途徑即消化道進入、呼吸道進入和皮膚進入人體內(nèi)，其中飲水途徑屬于最為重要的暴露途徑[5-6]。這些重金屬物質(zhì)在水中并不能被降解，還能和水里已經(jīng)存在的其它物質(zhì)發(fā)生各種反應并產(chǎn)生毒性更大的有機物[7]。截至現(xiàn)在，能確定的以及能對人體產(chǎn)生較大危害的有5種重金屬元素：Hg、As、Cd、Pb、Cr等，其中，Hg和Hg的化合物均有毒，能妨礙甲狀腺的分泌和發(fā)育以及影響人體生殖系統(tǒng)的功能[8]；Cd是致癌性重金屬物質(zhì)，常蓄積于人體的腎以及肝臟等器官中并影響其功能，于此同時，Cd還能影響和干擾人體雌激素的分泌[9]；As是公認的致癌性物質(zhì)，是環(huán)境中最具有危害性和具有普遍性的毒害性物質(zhì)，若長時間處在As污染的環(huán)境中會導致慢性As中毒以及皮膚癌等[10-11]。綜上所述，水體重金屬污染會對自然環(huán)境和人體健康造成不可逆的危害，因此對水源地中的重金屬進行評估變得至關重要。

健康風險評價(health risk assessment，HRA)是指評定個體的健康受到某有害因子影響的風險概率，將個體暴露于該有害因子存在時估算其會發(fā)生的概率[12]。目前我國場地風險評估飲用水途徑健康風險評估方法采用美國環(huán)保署(USBHEPA)推薦的健康風險評價模型進行健康風險評價，與孫超[9]、高繼軍[13]、孟曉琦[14]等大量研究者分別探究各省和市的飲用水源地中重金屬的健康風險評價模型均一致。本研究通過對廣元市2012 ～ 2014年主要飲用水源地水中的Hg、Cd、Pb、As、Cu、Zn、Cr、Fe、Mn等重金屬進行調(diào)查，旨在掌握廣元市主要飲用水源地水體的健康風險狀況，為環(huán)境風險管理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域狀況

廣元市是四川省的北大門，位于四川省北部邊緣，交通發(fā)達，人口密集，水資源豐富，自古便是入川的重要通道。廣元市具有豐富深厚的文化底蘊，處于嘉陵江的上游，廣元市主要通航河流有嘉陵江、白龍江、東河等，這些河流均匯集到嘉陵江至重慶注入長江，境內(nèi)河流屬于長江水系。廣元市近年的發(fā)展歷程也是水生態(tài)文明的建設歷程，因此，研究廣元市飲用水源地中重金屬對人體的健康風險具有重要的代表性。

1.2 樣品的采集與處理

對廣元市主要飲用水源地-南河和嘉陵江水體進行采樣，共布設4個斷面。其中，南河設2個斷面(東壩水廠、南河水廠2個采樣點)，嘉陵江設2個斷面(城北水廠、西灣水廠2個采樣點)。采樣時間為2012年1月～2014年12月，每個月初采集水樣1次，主要采集的是地表水，共采集120個樣品，使用便攜式水質(zhì)分析儀對水樣的溫度、pH值、電導率、溶解氧、化學耗氧量(COD)等水質(zhì)基本指標進行現(xiàn)場分析檢測。使用潔凈的棕色玻璃瓶進行水樣采集，避光儲存在2～5℃的冰箱中。

1.3 樣品的測定

將重金屬待測水樣置于PET塑料容器中保存，經(jīng)0.45um濾膜過濾；配置鐵、銅、錳、鋅、砷、鎘、鉻、汞、鉛標準物質(zhì)混合溶液配制濃度梯度為1、10、20、50、100μg/L的標準曲線，使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)上機分析。

1.4 評價模型

1.4.1 環(huán)境健康風險評價

健康風險評價是為了評估特定時間以及環(huán)境下的生物、化學、物理以及社會因子對人體、動物甚至生態(tài)系統(tǒng)可能引起的潛在危害的風險[15-16]。國內(nèi)的廣州市、天津市、青島市，國外的巴基斯坦、泰國等國家和地區(qū)均對水環(huán)境進行了健康風險評價[17]。

1.4.2 水環(huán)境健康風險評價模型

針對水環(huán)境中影響人體健康的污染物質(zhì)[15]，水中污染物包括兩類。軀體毒物質(zhì)即非化學致癌物和基因毒物質(zhì)包括放射性污染物和化學致癌物[18-19]兩類。水環(huán)境中飲水途徑所致的總個人健康風險R =化學致癌物總風險值Rc+非致癌物總風險值Rn [20～23]，公式為R=Rn+Rc。

其中，化學致癌物通過飲水途徑導致的健康風險值計算模型為：

(1)

(2)

非致癌物通過飲水途徑的風險度模型為：

(3)

(4)

(5)

公式(3)中：θ為日平均飲水量，單位L；Ci為致癌物i濃度，單位mg/L；BW為人體平均體重，單位kg。公式(4)中Di為非致癌物i的日均暴露劑量，單位mg/(kg·d)； RfDi為非致癌物

表1 模型中L、θ、BW參數(shù)的值Tab.1 Values of L、θ、BW parameters in the model

2 評價結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)評價

本次評價采用2012 ～ 2014年廣元市的4個水源地取水樣的監(jiān)測結(jié)果，研究區(qū)域四個斷面分別為南河東壩水廠斷面(A)、嘉陵城北水廠斷面(B)、南河南河水廠斷面(C)和嘉陵西灣水廠斷面(D)，其中前3個斷面水質(zhì)為地下水，嘉陵西灣水廠斷面為地表水。取每個水源地每月數(shù)據(jù)的平均值作為年均值。由于南河南河水廠斷面(C)水廠供水量不大，考慮到運營情況與資金問題從2013年開始停止運營，因此本文數(shù)據(jù)中只使用2012年的數(shù)據(jù)作為平均值。統(tǒng)計結(jié)果顯示，廣元地區(qū)總體水質(zhì)良好，主要污染物為總磷、總氮。2012 ～ 2014年的重金屬水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2所示，地表水環(huán)境質(zhì)量標準(GB3838-2002)基本項目標準限值如表3所示。

表2 廣元市2012 ～ 2014年主要水源地水體中重金屬濃度Tab.2 Heavy metal concentrations in main water sources in Guangyuan City in 2012～2014 (μg/L)

表3 地表水環(huán)境質(zhì)量標準(GB3838-2002)基本項目標準限值Tab.3 Environmental quality standard for surface water (GB3838-2002) standard limit for basic items

廣元市2012 ～ 2014年主要飲用水源地水體中重金屬狀況見表2，由表2、表3可知，南河東壩水廠斷面、嘉陵城北水廠斷面和南河南河水廠斷面的水體中除了Cd的平均濃度達到Ⅱ類地下水標準 (GB14848-93) 外，As、Cr、Hg、Pb、Cu、Zn、Fe、Mn的平均濃度分別為Cd 0.35μg/L，As 0.5μg/L，Cr 4μg/L，Hg 0.02μg/L，Pb 1.9 ～ 2.58μg/L，Cu 1.8 ～ 2.4μg/L，Zn 19.3 ～ 38μg/L，F(xiàn)e 30 ～ 116.6μg/L，Mn 13.8 ～ 36.4μg/L均達到Ⅰ類地下水質(zhì)量標準(GB14848-93)；嘉陵西灣水廠斷面的水體中Cd、As、Cr、Hg、Pb、Cu、Zn、Fe、Mn的平均濃度均達到Ⅰ類地表水質(zhì)量標準(GB3838-2002)。各個時段的監(jiān)測值沒有較大的起伏變動，均在達標范圍內(nèi)。

2.2 重金屬污染物飲水途徑健康風險評價結(jié)果

通過計算得出廣元市2012 ～ 2014年的老年人、成年人、幼兒和青少年四個不同時期的風險值，該時期水源地重金屬污染物飲水途徑健康危害風險值如表4 ～ 表7所示。

表4 廣元市2012 ～ 2014年的幼兒健康風險評價結(jié)果Tab.4 Early childhood health risk assessment results of Guangyuan City in 2012～2014

由表4可知，廣元市2012 ～ 2014年水體中的重金屬對幼兒時期健康影響的風險值普遍偏大，最大總健康風險值出現(xiàn)在嘉陵西灣水廠斷面，達到了2.35×10-8a-1，其中Fe和Mn占的比例比較大，分別為9.75×10-9a-1和1.1×10-8a-1。4個斷面的總健康風險平均值大小依次為嘉陵西灣水廠斷面、南河東壩水廠斷面、南河南河水廠斷面，最低是嘉陵城北水廠斷面。而4個斷面的總致癌風險幾乎相同，在1.2×10-4a-1左右，其中Cr和As在幼兒時期所引起的致癌風險最大，分別為114.04×10-6a-1和5.24×10-6a-1，部分時段指標已高于國際輻射防護委員會(ICRP)和美國環(huán)境保護局(US EPA)推薦的通過飲用水途徑最大可接受風險水平(分別為5.0×10-5a-1和1.0×10-4a-1)。

表5 廣元市2012 ～ 2014年的青少年健康風險評價結(jié)果Tab.5 Evaluation results of adolescent health risk in Guangyuan City in 2012 ～ 2014

從表5中可以看出，4個斷面中對廣元市2012 ～ 2014年青少年時期的健康影響的風險值的最大值在嘉陵西灣水廠的水質(zhì)，最大值達到2.1×10-8a-1，其中Fe和Mn的影響較大，分別為9.34×10-9a-1和9.39×10-9a-1，遠超其他元素對其的影響，四個斷面的總健康風險平均值大小依次為嘉陵西灣水廠斷面、南河東壩水廠斷面、嘉陵城北水廠斷面，最低是南河南河水廠斷面。而在總致癌風險中4個斷面對青少年的致癌風險度均相差不大，在1.02×10-8a-1～ 1.03×10-8a-1之間變動，其中影響總致癌風險占比較大的也是Cr和As元素。

表6 廣元市2012 ～ 2014年的成年人健康風險評價結(jié)果Tab.6 Adult health risk assessment results of Guangyuan City in 2012 ～ 2014

從表6中可以看出，4個斷面中對廣元市2012 ～ 2014年的成年人健康影響的風險值最大的是嘉陵西灣水廠，非致癌風險度平均值最高為1.67×10-8a-1，其中最大值出現(xiàn)在嘉陵西灣水廠，達到2.25×10-8a-1，而這個點位Fe、Mn的影響又遠超于其他點位Fe、Mn的影響，分別為9.34×10-9a-1、10.57×10-9a-1，4個斷面的總健康風險平均值大小排名與青少年時期的相同也是依次為嘉陵西灣水廠斷面、南河東壩水廠斷面、嘉陵城北水廠斷面，最低是南河南河水廠斷面。然而致癌風險度的變化幅度在這4個點位中都不大，在1.15×10-8a-1～ 1.16×10-8a-1之間變化，占比較大的同樣也是Cr和As元素。

表7 廣元市2012 ～ 2014年的老年人健康風險評價結(jié)果表Tab.7 Health risk assessment results for the elderly in Guangyuan City in 2012 ～ 2014

從表7中可以看出，4個點位的水質(zhì)對廣元市2012 ～ 2014年的老年人總健康影響的風險值平均值最大的是嘉陵西灣水廠，其次是南河東壩水廠，分別為1.43×10-8a-1，1.24×10-8a-1，其次是嘉陵城北水廠斷面，最低也是南河南河水廠斷面；而嘉陵西灣水廠中影響最大的因素是Fe、Mn，分別為7.77×10-9a-1，5.35×10-9a-1；南河東壩水質(zhì)中影響最主要的因素是Mn，為9.48×10-9a-1，基本上是其他點位的同種元素的兩倍值。而致癌風險度普遍偏小且相差不大，是幼兒、青少年、成年人、老年人4個人群中值最小的人群，在9.81×10-9a-1～ 9.97×10-9a-1之間變化。

2.3 不同時期重金屬污染物飲水途徑健康風險評價比較

上述表4 ～ 表7分別闡述了廣元市2012 ～ 2014年四個斷面的幼兒時期、青少年時期、成年時期和老年時期的總致癌風險和總健康風險評價，其中4個斷面重金屬致癌物(Cd、As、Cr)的總致癌風險分別在不同時期人群中相差不大。非致癌風險度在4個斷面中的最高值均出現(xiàn)在嘉陵西灣水廠斷面。而其中影響最大的是Fe、Mn兩種元素，這兩種元素在這個斷面的影響均遠遠超過其他斷面這兩個元素的影響，甚至達到其他斷面的兩倍值。為探究通過飲水途徑的致癌風險在不同人群中的大小，將四個不同時期人群通過飲水途徑的的重金屬污染物健康風險評價進行綜合比較，結(jié)果如下圖。通過下圖可以明顯看出致癌風險最高的時期是幼兒時期，其次是青少年時期、老年時期，最低的是老年時期。我們可以看出水質(zhì)中重金屬對人體的致癌風險呈現(xiàn)一個規(guī)律性：在人的一生中，水中重金屬對人的致癌風險在幼兒時期最大，隨著人體的成長對其的影響在慢慢變?nèi)?。對水源地中的重金屬進行監(jiān)測和對水資源進行保護任重道遠卻也越發(fā)重要。

圖 不同時期重金屬污染物飲水途徑健康風險評價比較Fig. Comparison of health risk assessment of drinking water route of heavy metal pollutants in different periods

3 結(jié) 論

3.1 廣元市2012 ～ 2014年主要飲用水源地中，南河東壩水廠、嘉陵城北水廠、南河南河水廠、嘉陵西灣水廠的水質(zhì)能達到國家地表水環(huán)境質(zhì)量標準(GB3838-2002)和國家地下水環(huán)境質(zhì)量標準(GB/T14848-2017)，除了4個監(jiān)測斷面的Cd的監(jiān)測值超過Ⅱ類水質(zhì)標準屬于Ⅲ類水質(zhì)標準以外，其他的重金屬元素的監(jiān)測濃平均值均達到Ⅰ類水質(zhì)標準。4個不同時期人群中重金屬(Cd、As、Cr)引起的總致癌風險大小四個斷面幾乎相等。

3.2 4個不同時期人群中致癌物(Cd、As、Cr)引起的總致癌風險大小在4個斷面中分別相差不大。其中Cr元素的影響最大，其次為As和Cd。

3.3 非致癌物(Fe、Mn、Zn、Hg、Pb、Cu)重金屬引起的總健康風險值在四個不同時期人群中最高的均為嘉陵西灣水廠斷面，最低的除幼兒時期外均為南河南河水廠斷面，其中Fe和Mn元素均為不同斷面的主要影響因素。嘉陵西灣水廠的水質(zhì)中Fe、Mn的平均值是其他水廠的水質(zhì)中Fe、Mn的平均值的2倍，但沒有超過國家地表水質(zhì)量環(huán)境標準Ⅰ類標準限值。因此，西灣水廠的水質(zhì)中Fe、Mn應長期重點關注，防止污染速度加快、污染的分布范圍擴大。

3.4 4個不同時期人群通過飲水途徑的的重金屬污染物健康風險評價致癌風險呈現(xiàn)幼兒時期>成年人>青少年>老年人，可以得出水質(zhì)中重金屬對人體的致癌風險呈現(xiàn)一個規(guī)律性：在人的一生中，水中重金屬對人的致癌風險在幼兒時期最大，隨著人體的成長對其的影響在慢慢變?nèi)酢?/p>